桥梁学习之我见

陈宇轩

摘 要：桥梁作为跨越河流、湖泊乃至海洋的一种重要途径，在人们的日常生活中发挥着重要的作用。而斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的两种主要建筑方式，都被广泛的运用于桥梁建设中。但由于外形结构相似，很多同学对于这两种桥难以区分和理解。本文旨在通过对悬索桥与斜拉桥的受力，设计、经济等多方面进行比较，对二者进行对比，同时对已建成的桥梁采用的建筑方式进行解释，以便帮助大家对桥梁更好的学习理解。

关键词：斜拉桥；悬索桥；对比

中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0087-02

1 引言

桥梁在日常生活中比较常见，按照结构体系划分，有梁式桥、拱桥、钢架桥、缆索承重桥等。其中，在大跨度应用方面主要是缆索承重桥，1981年建成的英国恒比尔悬索桥的跨径为1410米，是目前世界上跨径最大的桥梁。

在缆索承重桥中主要包括两类缆索承重形式，一种是斜拉桥，另一种是悬索桥。斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，斜拉桥由主梁，索塔，斜拉索组成。而悬索桥，又名吊桥，指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸或桥两端的缆索或钢链作为上部结构主要承重构件的桥梁，主要由主塔、主揽、吊索、加劲梁、锚碇和鞍座组成[1]。斜拉桥图1所示，悬索桥图2所示。

然而，查询文献可知（表1所示），在实际的桥梁建设中，在国外已建成的大跨径桥梁中，悬索桥的数量普遍多于斜拉桥，而在我国情况有所不同，斜拉桥的数量较悬索桥更多[2]。

这样一来就产生了疑问，在桥梁建设中，究竟是如何做出选择的，接下来本文将从受力方面、设计方面、经济方面进行比较，简要介绍二者的区别，以给大家提供参考。

2 斜拉桥和悬索桥的对比

2.1 受力比较

斜拉桥与悬索桥所受力主要分为永久作用，可变作用和偶然作用三种，此处主要对永久作用力进行分析。

通过物理建模，将图1及图2斜拉桥与悬索桥简化为如下结构图3-4所示。

对二者进行受力分析图5-6所示。

通过斜拉桥和悬索桥的结构简图3-4可以看出，斜拉桥和悬索桥都通过钢索的拉力来代替了一部分桥墩的支持力。这样一来在建造时可以大幅减少桥墩的数量的同时，大幅增大桥梁的跨度。

通过斜拉桥和悬索桥的结构简图和受力分析图5-6可以看出，由于斜拉桥的钢索是倾斜的，因而以图中C点进行受力分析时，可以发现为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy，那么随着AC两点间距离的不断增加，Fc和Fcx都将会不断增大。但由于斜拉索的承载能力有限，这样一来只能提高主塔的高度，而主塔也不能无限加高，因而AC之间的距离不能太大，即斜拉桥的跨度不能太大。而通过悬索桥的结构简图和受力分析图可知，悬索桥的吊索受力是竖直方向上的，即随着跨度的增加并不会增加吊索的受力。因此悬索桥的跨度可以比斜拉桥更大。

由斜拉桥的结构简图可以看出绷紧的拉索与主塔及桥面根据三钢片原则构成了不变体系，而通过观察悬索桥的结构简图可以看出悬索桥的主缆、吊索、主塔及桥面之间构成的是可变体系。因此当受到较大外力作用时，悬索桥容易发生震动和变形，也无法承受通行铁路的冲击力。可见悬索桥的稳定性不如斜拉桥的稳定性好且受限制较大。

综上所述，可见悬索桥的最大跨度大于斜拉桥，但稳定性斜拉桥强于悬索桥。

2.2 设计方面对比

从设计的角度来看，由于悬索桥必须有锚碇用于承载主缆两端的拉力，但是如果所在河流或海域非常宽，而悬索桥达不到这样的跨度，则锚碇就必须要放置在河流中，这样会对水流造成影响，进而影响到航运，因而为了避免水中锚碇，必须增大悬索桥的跨度，这样才能使用岸上锚碇。而斜拉桥的主跨跨度则可根据通航要求而定，相对较小，所以像我國的苏通长江公路大桥就宁可选择了斜拉桥。不过同时由于悬索桥可以更充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。而斜拉桥的跨径一般在普通梁桥和悬索桥之间。

同时由于悬索桥的主要缺点是刚度小，在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动，需注意采取相应的措施，如在加劲梁的结构选择上进行调整。而斜拉桥的刚度比悬索桥大，主要需要减小风致振动的影响。另外，从美观的角度来看，由于二者均使用钢索作为主要承重构件，并有较高的主塔或索塔，且跨度较大，较梁桥和拱桥而言更为壮观，斜拉桥在构造上主要有单塔或双塔、单面布索或两面布索、密索或少索等形式，索的布置也有不同的形式，塔、梁、墩之间铰接或固接等也有多种类型。而悬索桥同样以单塔和双塔为主，布索方式则较为单一。

而从建造与维护的角度来看，由上文的分析可知两种桥的主要承重构件都是钢索，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材，如钢丝、钢绞线、钢缆等制作。因而对于拉索的检测、养护和维护都是十分重要的。在日常维护中，对于二者的管养设施，结构部件和桥面系设施都要进行检修，其差异在于悬索桥还要对锚碇和主缆进行检修，这样显然增大了工作量。而且由于主缆作为主要承重构建是无法更换的，因而要使用先进的除湿装置防止生锈。桥梁在使用过程中，对桥梁的健康监测也十分重要，监测参数上两种桥都主要分为荷载源，系统特性，桥梁响应三类[3]。

综上所述，可见悬索桥在设计建造及日常维护中所受的限制较多，斜拉桥在这几个方面则具有一定的优势。

2.3 经济性方面对比

已有的研究（见图7所示）已经给出了斜拉桥和悬索桥与其它缆索承重桥的经济性比较情况。由图中可以看出跨度在200-1100m时用斜拉桥更经济，而在跨度超过1100m时用悬索桥更经济，而当跨度较小时使用梁桥或拱桥则能免去拉索的成本，成本更低。

而根据斜拉桥主梁的组成方式，当跨度在400m以下采用预应力混凝土梁、在600m以下采用钢-混凝土组合梁、在600m以上采用全钢梁或建造混合式斜拉桥是最为经济的选择。悬索桥则根据锚碇的不同，当跨度在2300m以下使用岸上锚碇、2300m以上使用浅水锚碇更为经济。

3 结语

斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的两种主要建筑方式，都被广泛的运用于桥梁建设中。本文通过对悬索桥与斜拉桥的受力，设计、经济等多方面进行比较，对二者进行了评价。通过上文的论述与分析可知我国的桥梁之所以以斜拉桥为主，主要原因是因为我国的大桥大多建设在东部、南部地区，跨度一般较大，单纯悬索桥达不到跨度要求，并且考虑到强度要求，一般以多塔斜拉桥为主，同时经济因素及航运的需求对此有很大影响。而其他国家和地区在桥梁建设上并没有国内技术难度要求这么高，更多的受到人文，技术等方面的影响，因而有更多的悬索桥。

参考文献

[1]肖汝诚，姜洋，项海帆.缆索承重桥的体系比选[J].同济大学学报：自然科学版，2013，（02）：179-185.

[2]杨海峰.斜拉桥与悬索桥的主要区别[J].门窗，2013，（12）：422-423.

[3]宫入武夫，金建国，程春芳，等译.工程力学[M].北京：冶金工业出版社，1981.endprint